Eeuwenlang, kunstenaars vermengden zilver- en goudpoeder met glas om kleurrijke ramen te maken om gebouwen te versieren. De resultaten waren indrukwekkend, maar ze hadden geen wetenschappelijke reden waarom deze ingrediënten samen glas-in-lood maakten. In het begin van de 20e eeuw, de natuurkundige Gustav Mie ontdekte dat de kleur van een metalen nanodeeltje verband houdt met de grootte en de optische eigenschappen van het metaal en aangrenzende materialen.

Onderzoekers hebben pas onlangs het ontbrekende stukje van deze puzzel ontdekt. Middeleeuwse glasarbeiders zouden verbaasd zijn te ontdekken dat ze gebruik maakten van wat wetenschappers tegenwoordig plasmonica noemen:een nieuw veld op basis van elektronenoscillaties die plasmonen worden genoemd.

Licht concentreren

Plasmonics laat zien hoe licht langs metalen oppervlakken of in nanometer dikke metaalfilms kan worden geleid. Het werkt als volgt:op atomair niveau, metaalkristallen hebben een zeer georganiseerde roosterstructuur. Het rooster bevat vrije elektronen, niet nauw verbonden met de metaalatomen, die in wisselwerking staan ​​met het licht dat hen raakt.

Deze vrije elektronen beginnen gezamenlijk te oscilleren ten opzichte van de vaste positie van positief geladen kernen in het metaalrooster. Zoals de dichtheid van luchtmoleculen in een geluidsgolf, de elektronendichtheid fluctueert in het metaalrooster als een plasmongolf.

Zichtbaar licht, met een golflengte van ongeveer een halve micrometer, kan dus met een factor van bijna 100 worden geconcentreerd om door metaalfilms van slechts enkele nanometers (nm) dik te reizen. dat is 1, 000 keer kleiner dan een mensenhaar. De nieuwe gemengde licht-elektron-golftoestand maakt intense licht-materie-interacties mogelijk met ongekende optische eigenschappen.

Wat kan plasmonica doen?

Plasmonics kan een revolutie teweegbrengen in de manier waarop computers of smartphones gegevens overdragen binnen hun elektronische geïntegreerde schakelingen. Gegevensoverdracht in de huidige elektronische geïntegreerde schakelingen gebeurt via de stroom van elektronen in metaaldraden. Bij plasmonica, het komt door de oscillerende beweging rond de positieve kernen. Gegevensoverdracht is daarom in de oude technologie tijdrovender. Aangezien plasmonische gegevensoverdracht plaatsvindt met lichtachtige golven en niet met een stroom van elektronen (elektrische stroom) zoals bij conventionele metaaldraden, de datatransmissie zou supersnel zijn (dicht bij de lichtsnelheid) - vergelijkbaar met de huidige glasvezeltechnologieën. Maar plasmonische metaalfilms zijn meer dan 100 keer dunner dan glasvezels. Dit kan leiden tot snellere, dunnere en lichtere informatietechnologieën.

Oppervlakteplasmonen zijn ook uitzonderlijk gevoelig voor elk materiaal naast de metaalfilm. Een lage concentratie van atomen, moleculen of bacteriën die aan het metaaloppervlak zijn gebonden, kunnen de eigenschap van zijn plasmonen veranderen. Deze functie kan worden gebruikt voor biologische en chemische detectie bij extreem lage concentraties - bijvoorbeeld vervuild water onderzoeken.

Indien goed ontworpen, multilagen van plasmonisch metaal/isolator nanostructuren vormen kunstmatige metamaterialen, waar het Griekse woord "meta" "verder" betekent. In tegenstelling tot enig ander materiaal in de natuur, deze metamaterialen hebben een negatieve brekingsindex. Dat is een maat voor hoeveel licht van richting verandert wanneer het een transparante isolator binnengaat. isolatoren, inclusief glas, een positieve brekingsindex hebben; ze buigen licht dat binnenkomt onder een bepaalde hoek dichter bij loodrecht op het isolatoroppervlak.

In tegenstelling tot, meerlagige metamaterialen buigen licht naar de "tegenovergestelde" richting. Deze fascinerende eigenschap kan worden gebruikt om objecten te verhullen door ze te bedekken met een metamateriaalwikkel. De folie geleidt het licht soepel om het object heen in plaats van het te weerkaatsen. Bijna ongelooflijk, het verhulde object wordt onzichtbaar.

Andere toepassingen zijn optische superlenzen met een aanzienlijk hogere resolutie in vergelijking met gewone optische microscopen. Ze zouden wetenschappers in staat kunnen stellen om objecten zo klein als ongeveer 100 nm groot te zien. That's about one-tenth as big as a typical germ.

A few proof-of-principle optical cloaks and superlenses do exist. But high resistivity losses in the metal layers which convert the light-electron-wave energy into heat currently limit the feasibility of many applications.

Manufacturing plasmonic nanowires

High resistivity losses are the major issue with plasmonics. Om deze beperkingen te overwinnen, we design and fabricate unique plasmonic metal/organic/semiconductor nanowire heterostructures. Our goal is to excite the semiconductor nanowires with an external light source, then use the internal radiation in the nanowires as an energy-pump source to compensate for metallic losses. Op deze manier, the nanowires couple light energy in concert with the light-electron-oscillations to the metal film, thus restoring the amplitude of the damped plasmon wave.

We use the organic molecular beam deposition (OMBD) method to coat the semiconductor nanowires with metal/organic multilayers. In the OMBD chamber, organic and metal materials reside in heatable cylindrical cells. We evaporate both organic molecules and metal atoms in heated cells at ultra-high vacuum (which is hundreds of billion times lower than atmosphere pressure). Then we direct the molecular and atom beams we have produced toward the semiconductor nanowire sample. The thickness of the resulting deposited film on the nanowire is controlled by mechanical shutters at the cell openings.

The energy-transfer processes from the optically excited semiconductor nanowire to the plasmon oscillations in the surrounding metal film are studied with ultrafast spectroscopic techniques.

Results from our studies will provide a new understanding of light-electron-waves in the novel and unique metal-semiconductor environment. Hopelijk, we will open new prospects for designing low-loss or loss-free plasmonic devices. Ideally we want to enable new and important applications in information technologies, biological sensing and national defense. We further envision our investigations having a strong impact in other research fields:for instance, by utilizing the biocompatibility of our hybrid organic/metal structures, by enhancing the light emission in light-emitting diodes and laser structures or by improving light harvesting in photovoltaic devices.

This story is published courtesy of The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).